Schulinterner Lehrplan des Grashof Gymnasiums zum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe. Informatik. (Stand: )

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1 Schulinterner Lehrplan des Grashof Gymnasiums zum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe Informatik (Stand: ) 1

2 Inhalt Seite 1 Die Fachgruppe Informatik des Grashof Gymnasiums in Essen 3 2 Entscheidungen zum Unterricht Unterrichtsvorhaben Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben Konkretisierte Unterrichtsvorhaben Grundsätze der fachmethodischen und fachdidaktischen Arbeit Grundsätze der Leistungsbewertung und Leistungsrückmeldung Lehr- und Lernmittel 44 3 Entscheidungen zu fach- und unterrichtsübergreifenden Fragen 44 4 Qualitätssicherung und Evaluation 45 2

3 1 Die Fachgruppe Informatik des Grashof Gymnasiums in Essen Das Grashof Gymnasium ist eines von zwei öffentlichen Gymnasien im Süden der Stadt Essen im Stadtteil Bredeney. Es liegt in einem ruhigen Wohngebiet und hat eine eher homogene Schülerschaft, was den sozialen und ethnischen Hintergrund betrifft. Das Grashof Gymnasium ist in der Sekundarstufe I dreizügig. In der Regel werden in der Sekundarstufe II nur Grundkurse angeboten. Der Unterricht findet im 45-Minuten-Takt statt, die Kursblockung sieht grundsätzlich für Grundkurse eine Doppelstunde und eine Einzelstunde vor. Den im Schulprogramm ausgewiesenen Zielen, Schülerinnen und Schüler ihren Begabungen und Neigungen entsprechend individuell zu fördern und ihnen Orientierung für ihren weiteren Lebensweg zu bieten, fühlt sich die Fachgruppe Informatik verpflichtet. Zurzeit besteht die Fachschaft Informatik des Grashof Gymnasiums aus zwei Lehrkräften, denen ein Computerräume mit 24 bzw. ein Laptopwagen mit 16 Computerarbeitsplätzen zur Verfügung stehen. Alle Arbeitsplätze sind an das schulinterne Rechnernetz angeschlossen, so dass Schülerinnen und Schüler über einen individuell gestaltbaren Zugang zum zentralen Server der Schule alle Arbeitsplätze zum Zugriff auf ihre eigenen Daten, zur Recherche im Internet oder zur Bearbeitung schulischer Aufgaben verwenden können. Durch projektartiges Vorgehen, offene Aufgaben und Möglichkeiten, Problemlösungen zu verfeinern oder zu optimieren, entspricht der Informatikunterricht der Oberstufe in besonderem Maße den Erziehungszielen, Leistungsbereitschaft zu fördern, ohne zu überfordern. Die gemeinsame Entwicklung von Materialien und Unterrichtsvorhaben, die Evaluation von Lehr- und Lernprozessen sowie die stetige Überprüfung und eventuelle Modifikation des schulinternen Curriculums durch die Fachkonferenz Informatik stellen einen wichtigen Beitrag zur Qualitätssicherung und -entwicklung des Unterrichts dar. 3

4 2 Entscheidungen zum Unterricht 2.1 Unterrichtsvorhaben Die Darstellung der Unterrichtsvorhaben im schulinternen Lehrplan besitzt den Anspruch, sämtliche im Kernlehrplan angeführten Kompetenzen abzudecken. Dies entspricht der Verpflichtung jeder Lehrkraft, Schülerinnen und Schülern Lerngelegenheiten zu ermöglichen, so dass alle Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans von ihnen erfüllt werden können. Die entsprechende Umsetzung erfolgt auf zwei Ebenen: der Übersichts- und der Konkretisierungsebene. Im Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben (Kapitel 2.1.1) wird die für alle Lehrerinnen und Lehrer gemäß Fachkonferenzbeschluss verbindliche Verteilung der Unterrichtsvorhaben dargestellt. Das Übersichtsraster dient dazu, den Kolleginnen und Kollegen einen schnellen Überblick über die Zuordnung der Unterrichtsvorhaben zu den einzelnen Jahrgangsstufen sowie den im Kernlehrplan genannten Kompetenzen, Inhaltsfeldern und inhaltlichen Schwerpunkten zu verschaffen. Der ausgewiesene Zeitbedarf versteht sich als grobe Orientierungsgröße, die nach Bedarf über- oder unterschritten werden kann. Um Freiraum für Vertiefungen, besondere Schülerinteressen, aktuelle Themen bzw. die Erfordernisse anderer besonderer Ereignisse zu erhalten, wurden im Rahmen dieses schulinternen Lehrplans ca. 75 Prozent der Bruttounterrichtszeit verplant. Während der Fachkonferenzbeschluss zum Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben zur Gewährleistung vergleichbarer Standards sowie zur Absicherung von Lerngruppenübertritten und Lehrkraftwechseln für alle Mitglieder der Fachkonferenz Bindekraft entfalten soll, beinhaltet die Ausweisung konkretisierter Unterrichtsvorhaben (Kapitel 2.1.2) Beispiele und Materialien, die empfehlenden Charakter haben. Referendarinnen und Referendaren sowie neuen Kolleginnen und Kollegen dienen diese vor allem zur standardbezogenen Orientierung in der neuen Schule, aber auch zur Verdeutlichung von unterrichtsbezogenen fachgruppeninternen Absprachen zu didaktisch-methodischen Zugängen, fächerübergreifenden Kooperationen, Lernmitteln und -orten sowie vorgesehenen Leistungsüberprüfungen, die im Einzelnen auch den Kapiteln 2.2 bis 2.3 zu entnehmen sind. Da in den folgenden Unterrichtsvorhaben Inhalte in der Regel anhand von Problemstellungen in Anwendungskontexten bearbeitet werden, werden in einigen Unterrichtsvorhaben jeweils mehrere Inhaltsfelder angesprochen. 4

5 2.1.1 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben I) Einführungsphase Einführungsphase Unterrichtsvorhaben E-I Thema: Was macht Informatik? Einführung in die Inhaltsfelder der Informatik Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Informatiksysteme Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: Einsatz, Nutzung und Aufbau von Informatiksystemen Wirkung der Automatisierung Unterrichtsvorhaben E-II Thema: Grundlagen der objektorientierten Analyse, Modellierung und Implementierung Zentrale Kompetenzen: Modellieren Implementieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: Objekte und Klassen Syntax und Semantik einer Programmiersprache 5

6 Einführungsphase Unterrichtsvorhaben E-III Thema: Grundlagen der objektorientierten Programmierung und algorithmischer Grundstrukturen in Java Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Implementieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Algorithmen Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: Objekte und Klassen Syntax und Semantik einer Programmiersprache Analyse, Entwurf und Implementierung einfacher Algorithmen Unterrichtsvorhaben E-IV Thema: Modellierung und Implementierung von Klassen- und Objektbeziehungen Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Implementieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Algorithmen Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: Objekte und Klassen Syntax und Semantik einer Programmiersprache Analyse, Entwurf und Implementierung einfacher Algorithmen 6

7 Einführungsphase Unterrichtsvorhaben E-V Thema: Such- und Sortieralgorithmen anhand kontextbezogener Beispiele Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Algorithmen Daten und ihre Strukturierung Inhaltliche Schwerpunkte: Algorithmen zum Suchen und Sortieren Analyse, Entwurf und Implementierung einfacher Algorithmen Objekte und Klassen Unterrichtsvorhaben E-VI Thema: Geschichte der digitalen Datenverarbeitung und die Grundlagen des Datenschutzes Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Informatik, Mensch und Gesellschaft Informatiksysteme Inhaltliche Schwerpunkte: Wirkungen der Automatisierung Geschichte der automatischen Datenverarbeitung Digitalisierung 7

8 II) Qualifikationsphase (Q1 und Q2) - GRUNDKURS Qualifikationsphase 1 Unterrichtsvorhaben Q1-I Thema: Wiederholung der objektorientierten Modellierung und Programmierung anhand einer kontextbezogenen Problemstellung Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Implementieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Algorithmen Formale Sprachen und Automaten Informatiksysteme Inhaltliche Schwerpunkte: Objekte und Klassen Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen Syntax und Semantik einer Programmiersprache Nutzung von Informatiksystemen Unterrichtsvorhaben Q1-II Thema: Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen, linearen Datenstrukturen Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Implementieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Algorithmen Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: Objekte und Klassen Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten Syntax und Semantik einer Programmiersprache 8

9 Qualifikationsphase 1 Unterrichtsvorhaben Q1-III Thema: Suchen und Sortieren auf linearen Datenstrukturen Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Implementieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Algorithmen Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten Syntax und Semantik einer Programmiersprache Unterrichtsvorhaben Q1-IV Thema: Modellierung und Nutzung von relationalen Datenbanken in Anwendungskontexten Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Implementieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Algorithmen Formale Sprachen und Automaten Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: Datenbanken Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten Syntax und Semantik einer Programmiersprache Sicherheit 9

10 Qualifikationsphase 1 Unterrichtsvorhaben Q1-V Thema: Sicherheit und Datenschutz in Netzstrukturen Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Informatiksysteme Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: Einzelrechner und Rechnernetzwerke Sicherheit Nutzung von Informatiksystemen, Wirkungen der Automatisierung 10

11 Qualifikationsphase 2 Unterrichtsvorhaben Q2-I Thema: Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen, nichtlinearen Datenstrukturen Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Implementieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Daten und ihre Strukturierung Algorithmen Formale Sprachen und Automaten Inhaltliche Schwerpunkte: Objekte und Klassen Analyse, Entwurf und Implementierung von Algorithmen Algorithmen in ausgewählten informatischen Kontexten Syntax und Semantik einer Programmiersprache Unterrichtsvorhaben Q2-II Thema: Endliche Automaten und formale Sprachen Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Modellieren Darstellen und Interpretieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Endliche Automaten und formale Sprachen Inhaltliche Schwerpunkte: Endliche Automaten Grammatiken regulärer Sprachen Möglichkeiten und Grenzen von Automaten und formalen Sprachen 11

12 Qualifikationsphase 2 Unterrichtsvorhaben Q2-III Thema: Prinzipielle Arbeitsweise eines Computers und Grenzen der Automatisierbarkeit Zentrale Kompetenzen: Argumentieren Kommunizieren und Kooperieren Inhaltsfelder: Informatiksysteme Informatik, Mensch und Gesellschaft Inhaltliche Schwerpunkte: Einzelrechner und Rechnernetzwerke Grenzen der Automatisierung 12

13 Übersicht über die Unterrichtsvorhaben Einführungsphase Unterrichtsvorhaben Stundenzahl (Vorschlag) E-I 6 E-II 9 E-III 18 E-IV 18 E-V 9 E-VI Qualifikationsphase Unterrichtsvorhaben Stundenzahl (Vorschlag) Q1-I 8 Q1-II 20 Q1-III 16 Q1-IV 20 Q1-V 10 Q2-I 24 Q2-II 20 Q2-III Die Stundenanzahl für die einzelnen Unterrichtsvorhaben ist im Jahresverlauf sinnvoll individuell an den jeweiligen Kurs anzupassen. 13

14 2.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben Im Folgenden sollen die im Unterkapitel aufgeführten Unterrichtsvorhaben konkretisiert werden. I) Einführungsphase Die folgenden Kompetenzen aus dem Bereich Kommunizieren und Kooperieren werden in allen Unterrichtsvorhaben der Einführungsphase vertieft und sollen aus Gründen der Lesbarkeit nicht in jedem Unterrichtsvorhaben separat aufgeführt werden: Die Schülerinnen und Schüler verwenden Fachausdrücke bei der Kommunikation über informatische Sachverhalte (K), präsentieren Arbeitsabläufe und -ergebnisse (K), kommunizieren und kooperieren in Gruppen und in Partnerarbeit (K), nutzen das verfügbare Informatiksystem zur strukturierten Verwaltung und gemeinsamen Verwendung von Daten unter Berücksichtigung der Rechteverwaltung (K). Unterrichtsvorhaben E-I Thema: Was macht Informatik? - Einführung in die Inhaltsfelder der Informatik Leitfragen: Was macht Informatik? Welche fundamentalen Konzepte müssen Informatikerinnen und Informatiker in ihre Arbeit einbeziehen, damit informatische Systeme effizient und zuverlässig arbeiten können? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Im ersten Unterrichtsvorhaben werden die fünf Inhaltsfelder des Faches Informatik beispielhaft an einem Informatiksystem erarbeitet. Das Unterrichtsvorhaben ist so strukturiert, dass die Schülerinnen und Schüler anhand bekannter Alltagstechnik die Grundideen fundamentaler informatischer Konzepte (Inhaltsfelder) größtenteils selbstständig erarbeiten und nachvollziehen. Ausgehend von dem bekannten Bedienungs- und Funktionalitätswissen eines Navigationsgerätes werden die Strukturierung von Daten, das Prinzip der Algorithmik, die Eigenheit formaler Sprachen, die Kommunikationsfähigkeit von Informatiksystemen und die positiven und negativen Auswirkungen auf 14

15 Mensch und Gesellschaft thematisiert. Das am Navigationsgerät erworbene Wissen kann auf weitere den Schülerinnen und Schülern bekannte Informatiksysteme übertragen werden. In einem letzten Schritt kann ausgehend von den Inhaltsfeldern das Schulnetzwerk in Ansätzen so analysiert werden, dass ein kompetenter Umgang mit diesem ermöglicht wird. Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen Informatiksysteme und ihr genereller Aufbau (a) Daten und ihre Strukturierung (b) Algorithmen (c) Formale Sprachen und Automaten (d) Informatiksysteme (e) Informatik, Mensch und Gesellschaft Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler - bewerten anhand von Fallbeispielen die Auswirkungen des Einsatzes von Informatiksystemen (A) Unterrichtsvorhaben E-II Thema: Grundlagen der objektorientierten Analyse, Modellierung und Implementierung Leitfragen: Wie lassen sich Gegenstandsbereiche informatisch modellieren und in einem Greenfoot-Szenario informatisch realisieren? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Ein zentraler Bestandteil des Informatikunterrichts der Einführungsphase ist die Objektorientierte Programmierung. Dieses Unterrichtsvorhaben führt in die Grundlagen der Analyse, Modellierung und Implementierung in diesem Kontext ein. Dazu werden zunächst konkrete Gegenstandsbereiche aus der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler analysiert und im Sinne des objektorientierten Paradigmas strukturiert. Dabei werden die grundlegenden Begriffe der Objektorientierung und Modellierungswerkzeuge wie Objektdiagramme und Klassendiagramme eingeführt. Im Anschluss wird die objektorientierte Analyse für das Greenfoot-Szenario Planetenerkundung durchgeführt. Die vom Szenario vorgegebenen Klassen werden von Schülerinnen und Schülern in Teilen analysiert und entsprechende Objekte anhand einfacher Problemstellun- 15

16 gen erprobt. Die Lernenden implementieren und testen einfache Programme. Die Greenfoot-Umgebung ermöglicht es, Beziehungen zwischen Klassen zu einem späteren Zeitpunkt (Kapitel 4) zu thematisieren. So kann der Fokus hier auf Grundlagen wie der Unterscheidung zwischen Klasse und Objekt, Attribute, Methoden, Objektidentität und Objektzustand gelegt werden. Da in Kapitel 2 zudem auf die Verwendung von Kontrollstrukturen verzichtet wird und der Quellcode aus einer rein linearen Sequenz besteht, ist auf diese Weise eine Fokussierung auf die Grundlagen der Objektorientierung möglich, ohne dass algorithmische Probleme ablenken. Natürlich kann die Arbeit an diesen Projekten unmittelbar zum nächsten Unterrichtsvorhaben (Kapitel 3) führen. Dort stehen Kontrollstrukturen im Mittelpunkt. Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Identifikation von Objekten und Klassen (a) An einem lebensweltnahen Beispiel werden Objekte und Klassen im Sinne der objektorientierten Modellierung eingeführt. (b) Objekte werden durch Objektdiagramme, Klassen durch Klassendiagramme dargestellt. (c) Die Modellierungen werden einem konkreten Anwendungsfall entsprechend angepasst. 2. Analyse von Objekten und Klassen im Greenfoot- Szenario (a) Schritte der objektorientierten Analyse, Modellierung und Implementation (b) Analyse und Erprobung der Objekte im Greenfoot- Szenario Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler - ermitteln bei der Analyse einfacher Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften und ihre Operationen (M), - stellen den Zustand eines Objekts dar (D), - modellieren Klassen mit ihren Attributen und ihren Methoden (M), - implementieren einfache Algorithmen unter Beachtung der Syntax und Semantik einer Programmiersprache (I), - implementieren Klassen in einer Programmiersprache, auch unter Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken (I). 3. Implementierung einfacher Aktionen in Greenfoot (a) Quelltext einer Java-Klasse (b) Implementation eigener Methoden, Dokumentation mit JavaDoc (c) Programme übersetzen (Aufgabe des Compilers) und testen 16

17 Unterrichtsvorhaben E-III Thema: Grundlagen der objektorientierten Programmierung und algorithmischer Grundstrukturen in Java Leitfragen: Wie lassen sich Aktionen von Objekten flexibel realisieren? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Das Ziel dieses Unterrichtsvorhabens besteht darin, das Verhalten von Objekten flexibel zu programmieren. Ein erster Schwerpunkt liegt dabei auf der Erarbeitung von Kontrollstrukturen. Die Strukturen Wiederholung und bedingte Anweisung werden an einfachen Beispielen eingeführt und anschließend anhand komplexerer Problemstellungen erprobt. Da die zu entwickelnden Algorithmen zunehmend umfangreicher werden, werden systematische Vorgehensweisen zur Entwicklung von Algorithmen thematisiert. Ein zweiter Schwerpunkt des Unterrichtsvorhabens liegt auf dem Einsatz von Variablen. Beginnend mit lokalen Variablen, die in Methoden und Zählschleifen zum Einsatz kommen, über Variablen in Form von Parametern und Rückgabewerten von Methoden, bis hin zu Variablen, die die Attribute einer Klasse realisieren, lernen die Schülerinnen und Schüler die unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten des Variablenkonzepts anzuwenden. 17

18 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Algorithmen (a) Wiederholungen (While-Schleife) (b) bedingte Anweisungen (c) Verknüpfung von Bedingungen durch die logischen Funktionen UND, ODER und NICHT (d) Systematisierung des Vorgehens zur Entwicklung von Algorithmen zur Lösung komplexerer Probleme 2. Variablen und Methoden (a) Implementierung eigener Methoden mit lokalen Variablen, auch zur Realisierung einer Zählschleife (b) Implementierung eigener Methoden mit Parameterübergabe und/oder Rückgabewert (c) Implementierung von Konstruktoren (d) Realisierung von Attributen Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler - analysieren und erläutern einfache Algorithmen und Programme (A), - entwerfen einfache Algorithmen und stellen sie umgangssprachlich und grafisch dar (M), - ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen zu (M), - modifizieren einfache Algorithmen und Programme (I), - implementieren Algorithmen unter Verwendung von Variablen und Wertzuweisungen, Kontrollstrukturen sowie Methodenaufrufen (I), - implementieren Klassen in einer Programmiersprache auch unter Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken (I), - implementieren einfache Algorithmen unter Beachtung der Syntax und Semantik einer Programmiersprache (I), - testen Programme schrittweise anhand von Beispielen (I), - interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I). Unterrichtsvorhaben EF-IV Thema: Modellierung und Implementierung von Klassen- und Objektbeziehungen anhand lebensnaher Anforderungsbeispiele Leitfragen: Wie werden realistische Systeme anforderungsspezifisch reduziert, als Entwurf modelliert und implementiert? Wie kommunizieren Objekte und wie wird dieses dargestellt und realisiert? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Das Unterrichtsvorhaben hat die Entwicklung von Objekt -und Klassenbeziehungen zum Schwerpunkt. Dazu werden, ausgehend von der Realität, über Objektidentifizierung und Entwurf bis hin zur Implementation kleine Softwareprodukte in Teilen oder ganzheitlich erstellt. Zuerst identifizieren die Schülerinnen und Schüler Objekte und stellen diese dar. Aus diesen Objekten werden Klassen und ihre Beziehungen in Entwurfsdiagrammen erstellt. 18

19 Nach diesem ersten Modellierungsschritt werden über Klassendokumentationen und der Darstellung von Objektkommunikationen anhand von Sequenzdiagrammen Implementationsdiagramme entwickelt. Danach werden die Implementationsdiagramme unter Berücksichtigung der Klassendokumentationen in Javaklassen programmiert. In einem letzten Schritt wird das Konzept der Vererbung sowie seiner Vorteile erarbeitet. Schließlich sind die Schülerinnen und Schüler in der Lage, eigene kleine Softwareprojekte zu entwickeln. Ausgehend von der Dekonstruktion und Erweiterung eines Spiels wird ein weiteres Projekt von Grund auf modelliert und implementiert. Dabei können arbeitsteilige Vorgehensweisen zum Einsatz kommen. In diesem Zusammenhang wird auch das Erstellen von graphischen Benutzeroberflächen eingeführt. Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Umsetzung von Anforderungen in Entwurfsdiagramme (a) Aus Anforderungsbeschreibungen werden Objekte mit ihren Eigenschaften identifiziert (b) Gleichartige Objekte werden in Klassen (Entwurf) zusammengefasst und um Datentypen und Methoden erweitert 2. Implementationsdiagramme als erster Schritt der Programmierung (a) Erweiterung des Entwurfsdiagramms um Konstruktoren und get- und set-methoden (b) Festlegung von Datentypen in Java, sowie von Rückgaben und Parametern (c) Entwicklung von Klassendokumentationen (d) Erstellung von Sequenzdiagrammen als Vorbereitung Vorbereitung für die Programmierung 3. Programmierung anhand der Dokumentation und des Implementations- und Sequenzdiagrammes (a) Klassen werden in Java-Quellcode umgesetzt Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler - analysieren und erläutern eine objektorientierte Modellierung (A), - stellen die Kommunikation zwischen Objekten grafisch dar (M), - ermitteln bei der Analyse einfacher Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen (M), - modellieren Klassen mit ihren Attributen, ihren Methoden und Assoziationsbeziehungen (M), - ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen, Objekttypen oder lineare Datensammlungen zu (M), - ordnen Klassen, Attributen und Methoden ihren Sichtbarkeitsbereich zu (M), - modellieren Klassen unter Verwendung von Vererbung (M), - implementieren Klassen in einer Programmiersprache auch unter Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken (I), - testen Programme schrittweise anhand von Beispielen (I), - interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), - analysieren und erläutern einfache Algorithmen und Programme (A) - modifizieren einfache Algorithmen und Programme (I), - entwerfen einfache Algorithmen und stellen sie umgangssprachlich und grafisch dar (M). - stellen Klassen, Assoziations- und Vererbungs-beziehungen in Diagrammen 19

20 (b) Das Geheimnisprinzip wird umgesetzt (c) Einzelne Klassen und das Gesamtsystem werden anhand der Anforderungen und Dokumentationen auf ihre Korrektheit überprüft. 4. Vererbungsbeziehungen (a) Das Grundprinzip der Vererbung wird erarbeitet (b) Die Vorteile der Vererbungsbeziehungen (c) Vererbung wird implementiert 5. Softwareprojekt (a) Analyse und Dekonstruktion eines Spiels (Modelle, Quelltexte) (b) Erweiterung des Spiels um weitere Funktionalitäten (c) Modellierung eines Spiels aufgrund einer Anforderungsbeschreibung, inklusive einer grafischen Benutzeroberfläche (d) (arbeitsteilige) Implementation des Spiels grafisch dar (D), - dokumentieren Klassen durch Beschreibung der Funktionalität der Methoden (D) 20

21 Unterrichtsvorhaben E-V Leitfragen: Wie können Objekte bzw. Daten effizient gesucht und sortiert werden? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Dieses Unterrichtsvorhaben beschäftigt sich mit der Erarbeitung von Such- und Sortieralgorithmen. Der Schwerpunkt des Vorhabens liegt dabei auf den Algorithmen selbst und nicht auf deren Implementierung in einer Programmiersprache, auf die in diesem Vorhaben vollständig verzichtet werden soll. Zunächst lernen die Schülerinnen und Schüler das Feld als eine erste Datensammlung kennen. Optional können nun zunächst die wesentlichen Eigenschaften von Algorithmen wie z.b. Korrektheit, Terminiertheit, Effizienz und Verständlichkeit sowie die Schritte einer Algorithmenentwicklung erarbeitet werden (Klärung der Anforderung, Visualisierung, Zerlegung in Teilprobleme). Daran anschließend lernen die Schülerinnen und Schüler zunächst Strategien des Suchens (lineare Suche, binäre Suche, Hashing) und dann des Sortierens (Selection Sort, Insertion Sort, Bubble Sort) kennen. Die Projekteinstiege dienen dazu, die jeweiligen Strategien handlungsorientiert zu erkunden und intuitive Effizienzbetrachtungen der Suchalgorithmen vorzunehmen. Schließlich wird die Effizienz unterschiedlicher Sortierverfahren beurteilt. 21

22 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Modellierung und Implementation von Datenansammlungen (a) Modellierung von Attributen als Felder (b) Deklaration, Instanziierung und Zugriffe auf ein Feld 2. Explorative Erarbeitung von Suchverfahren (a) Erkundung von Strategien für das Suchen auf unsortierten Daten, auf sortierten Daten und mithilfe einer Berechnungsfunktion. (b) Vergleich der drei Verfahren durch intuitive Effizienzbetrachtungen. 3. Systematisierung von Algorithmen und Effizienzbetrachtungen (a) Formulierung (falls selbst gefunden) oder Erläuterung von mehreren Algorithmen im Pseudocode (b) Anwendung von Sortieralgorithmen auf verschiedene Beispiele (c) Bewertung von Algorithmen anhand der Anzahl der nötigen Vergleiche (d) Effizienzbetrachtungen an einem konkreten Beispiel bezüglich der Rechenzeit und des Speicherplatzbedarfs (e) Analyse eines weiteren Sortieralgorithmus (sofern nicht in (a) bereits geschehen) Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler - analysieren Such- und Sortieralgorithmen und wenden sie auf Beispiele an (D) - entwerfen einen weiteren Algorithmus zum Sortieren (M) - beurteilen die Effizienz von Algorithmen am Beispiel von Sortierverfahren hinsichtlich Zeit und Speicherplatzbedarf (A) - ordnen Attributen lineare Datenansammlungen zu (M) 22

23 Unterrichtsvorhaben E-VI Thema: Geschichte der digitalen Datenverarbeitung und die Grundlagen des Datenschutzes Leitfrage: Welche Entwicklung durchlief die moderne Datenverarbeitung und welche Auswirkungen ergeben sich insbesondere hinsichtlich neuer Anforderungen an den Datenschutz daraus? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Das folgende Unterrichtsvorhaben stellt den Abschluss der Einführungsphase dar. Schülerinnen und Schüler sollen selbstständig informatische Themenbereiche aus dem Kontext der Geschichte der Datenverarbeitung und insbesondere den daraus sich ergebenen Fragen des Datenschutzes bearbeiten. Diese Themenbereiche werden in Kleingruppen bearbeitet und z.b. in Form von Plakatpräsentationen vorgestellt. Schülerinnen und Schüler sollen dabei mit Unterstützung des Lehrenden selbstständige Recherchen zu ihren Themen anstellen und auch eine sinnvolle Eingrenzung ihres Themas vornehmen. Anschließend kann anhand aktueller Beispiele verstärkt auf den Aspekt des Datenschutzes eingegangen werden. 23

24 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Selbstständige Erarbeitung von Themen durch die Schülerinnen und Schüler (a) Mögliche Themen zur Erarbeitung in Kleingruppen: Eine kleine Geschichte der Digitalisierung: vom Morsen zum modernen Digitalcomputer Eine kleine Geschichte der Kryptographie: von Caesar zur Enigma Von Nullen, Einsen und mehr: Stellenwertsysteme und wie man mit ihnen rechnet Kodieren von Texten und Bildern: ASCII, RGB und mehr Auswirkungen der Digitalisierung: Veränderungen der Arbeitswelt und Datenschutz (b) Vorstellung und Diskussion durch Schülerinnen und Schüler Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler bewerten anhand von Fallbeispielen die Auswirkungen des Einsatzes von Informatiksystemen (A), erläutern wesentliche Grundlagen der Geschichte der digitalen Datenverarbeitung (A), stellen ganze Zahlen und Zeichen in Binärcodes dar (D), interpretieren Binärcodes als Zahlen und Zeichen (D), nutzen das Internet zur Recherche, zum Datenaustausch und zur Kommunikation. (K). 2. Vertiefung des Themas Datenschutz (a) Erarbeitung grundlegender Begriffe des Datenschutzen (b) Problematisierung und Anknüpfung an die Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler (c) Diskussion und Bewertung von Fallbeispielen aus dem Themenbereich Datenschutz 24

25 II) Qualifikationsphase Die folgenden Kompetenzen aus dem Bereich Kommunizieren und Kooperieren werden in allen Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase vertieft und sollen aus Gründen der Lesbarkeit nicht in jedem Unterrichtsvorhaben separat aufgeführt werden: Die Schülerinnen und Schüler verwenden die Fachsprache bei der Kommunikation über informatische Sachverhalte (K), nutzen das verfügbare Informatiksystem zur strukturierten Verwaltung von Dateien unter Berücksichtigung der Rechteverwaltung (K), organisieren und koordinieren kooperatives und eigenverantwortliches Arbeiten (K), strukturieren den Arbeitsprozess, vereinbaren Schnittstellen und führen Ergebnisse zusammen (K), beurteilen Arbeitsorganisation, Arbeitsabläufe und Ergebnisse (K), präsentieren Arbeitsabläufe und -ergebnisse adressatengerecht (K). Unterrichtsvorhaben Q1-I: Thema: Wiederholung der objektorientierten Modellierung und Programmierung Leitfragen: Wie modelliert und implementiert man zu einer Problemstellung in einem geeigneten Anwendungskontext Java-Klassen inklusive ihrer Attribute, Methoden und Beziehungen? Wie kann man die Modellierung und die Funktionsweise der Anwendung grafisch darstellen? Vorhabenbezogenen Konkretisierung: Zu einer Problemstellung in einem Anwendungskontext soll eine Java-Anwendung entwickelt werden. Die Problemstellung soll so gewählt sein, dass für diese Anwendung die Verwendung einer abstrakten Oberklasse als Generalisierung verschiedener Unterklassen sinnvoll erscheint und eine Klasse durch eine Unterklasse spezialisiert werden kann. Um die Aufgabe einzugrenzen, können (nach der ersten Problemanalyse) einige Teile (Modellierungen oder Teile von Java-Klassen) vorgegeben werden. Die Schülerinnen und Schülern erläutern und modifizieren den ersten Entwurf und modellieren sowie implementieren weitere Klassen und Methoden für eine entsprechende Anwendung. Klassen und ihre Beziehungen werden in einem Implementationsdiagramm dargestellt. Dabei werden Sichtbarkeitsbereiche zugeordnet. Exemplarisch wird eine Klasse dokumentiert. Der Nachrichtenaustausch zwischen verschie- 25

26 denen Objekten wird verdeutlicht, indem die Kommunikation zwischen zwei ausgewählten Objekten grafisch dargestellt wird. In diesem Zusammenhang wird das Nachrichtenkonzept der objektorientierten Programmierung wiederholt. Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Wiederholung und Erweiterung der objektorientierten Modellierung und Programmierung durch Analyse und Erweiterung eines kontextbezogenen Beispiels (a) Analyse der Problemstellung (b) Analyse der Modellierung (Implementationsdiagramm) (c) Erweiterung der Modellierung im Implementationsdiagramm (Vererbung, abstrakte Klasse) (d) Kommunikation zwischen mindestens zwei Objekten (grafische Darstellung) (e) Dokumentation von Klassen (f) Implementierung der Anwendung oder von Teilen der Anwendung Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler analysieren und erläutern objektorientierte Modellierungen (A), beurteilen die syntaktische Korrektheit und die Funktionalität von Programmen (A), modellieren Klassen mit ihren Attributen, Methoden und ihren Assoziationsbeziehungen unter Angabe von Multiplizitäten (M), ordnen Klassen, Attributen und Methoden ihre Sichtbarkeitsbereiche zu (M), modellieren abstrakte und nicht abstrakte Klassen unter Verwendung von Vererbung durch Spezialisieren und Generalisieren (M), implementieren Klassen in einer Programmiersprache auch unter Nutzung dokumentierter Klassenbibliotheken (I), nutzen die Syntax und Semantik einer Programmiersprache bei der Implementierung und zur Analyse von Programmen (I), wenden eine didaktisch orientierte Entwicklungsumgebung zur Demonstration, zum Entwurf, zur Implementierung und zum Test von Informatiksystemen an (I), interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), stellen Klassen und ihre Beziehungen in Diagrammen grafisch dar (D), dokumentieren Klassen (D), stellen die Kommunikation zwischen Objekten grafisch dar (D). 26

27 Unterrichtsvorhaben Q1-II: Thema: Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen, linearen Datenstrukturen Leitfrage: Wie können beliebig viele linear angeordnete Daten im Anwendungskontext verwaltet werden? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Nach Analyse einer Problemstellung in einem geeigneten Anwendungskontext, in dem Daten nach dem First-In-First-Out-Prinzip verwaltet werden, werden der Aufbau von Schlangen am Beispiel dargestellt und die Operationen der Klasse Queue erläutert. Anschließend werden für die Anwendung notwendige Klassen modelliert und implementiert. Eine Klasse für eine den Anforderungen der Anwendung entsprechende Oberfläche sowie die Klasse Queue wird dabei von der Lehrkraft vorgegeben. Anschließend wird die Anwendung modifiziert, um den Umgang mit der Datenstruktur zu üben. Anhand einer Anwendung, in der Daten nach dem Last-In-First-Out-Prinzip verwaltet werden, werden Unterschiede zwischen den Datenstrukturen Schlange und Stapel erarbeitet. Um einfacher an Objekte zu gelangen, die zwischen anderen gespeichert sind, wird die Klasse List eingeführt und in einem Anwendungskontext verwendet. In mindestens einem weiteren Anwendungskontext wird die Verwaltung von Daten in Schlangen, Stapeln oder Listen vertieft. Modellierungen werden dabei in Entwurfsund Implementationsdiagrammen dargestellt. 27

28 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Die Datenstruktur Schlange im Anwendungskontext unter Nutzung der Klasse Queue (a) Analyse der Problemstellung, Ermittlung von Objekten, ihren Eigenschaften und Operationen (b) Erarbeitung der Funktionalität der Klasse Queue (c) Modellierung und Implementierung der Anwendung unter Verwendung eines oder mehrerer Objekte der Klasse Queue 2. Die Datenstruktur Stapel im Anwendungskontext unter Nutzung der Klasse Stack (a) Analyse der Problemstellung, Ermittlung von Objekten, ihren Eigenschaften und Operationen (b) Erarbeitung der Funktionalität der Klasse Stack (c) Modellierung und Implementierung der Anwendung unter Verwendung eines oder mehrerer Objekte der Klasse Stack 3. Die Datenstruktur lineare Liste im Anwendungskontext unter Nutzung der Klasse List (a) Erarbeitung der Vorteile der Klasse List im Gegensatz zu den bereits bekannten linearen Strukturen (b) Modellierung und Implementierung einer kontextbezogenen Anwendung unter Verwendung der Klasse List. Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler erläutern Operationen dynamischer (linearer oder nicht-linearer) Datenstrukturen (A), analysieren und erläutern Algorithmen und Programme (A), beurteilen die syntaktische Korrektheit und die Funktionalität von Programmen (A), ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen, Objekttypen sowie lineare und nichtlineare Datensammlungen zu (M), ermitteln bei der Analyse von Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen (M), modifizieren Algorithmen und Programme (I), implementieren iterative und rekursive Algorithmen auch unter Verwendung von dynamischen Datenstrukturen (I), nutzen die Syntax und Semantik einer Programmiersprache bei der Implementierung und zur Analyse von Programmen (I), interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), testen Programme systematisch anhand von Beispielen (I), stellen lineare und nichtlineare Strukturen grafisch dar und erläutern ihren Aufbau (D). 4. Vertiefung - Anwendungen von Listen, Stapeln oder Schlangen in mindestens einem weiteren Kontext 28

29 Unterrichtsvorhaben Q1-III: Thema: Suchen und Sortieren auf linearen Datenstrukturen Leitfrage: Wie kann man gespeicherte Informationen günstig (wieder-)finden? Vorhabenbezogene Konkretisierung: In einem Anwendungskontext werden zunächst Informationen in einer linearen Liste bzw. einem Feld gesucht. Hierzu werden Verfahren entwickelt und implementiert bzw. analysiert und erläutert, wobei neben einem iterativen auch ein rekursives Verfahren thematisiert wird und mindestens ein Verfahren selbst entwickelt und implementiert wird. Die verschiedenen Verfahren werden hinsichtlich Speicherbedarf und Zahl der Vergleichsoperationen miteinander verglichen. Anschließend werden Sortierverfahren entwickelt und implementiert (ebenfalls für lineare Listen und Felder). Hierbei soll auch ein rekursives Sortierverfahren entwickelt werden. Die Implementationen von Quicksort sowie dem Sortieren durch Einfügen werden analysiert und erläutert. Falls diese Verfahren vorher schon entdeckt wurden, sollen sie hier wiedererkannt werden. Die rekursive Abarbeitung eines Methodenaufrufs von Quicksort wird grafisch dargestellt. Abschließend werden verschiedene Sortierverfahren hinsichtlich der Anzahl der benötigten Vergleichsoperationen und des Speicherbedarfs beurteilt. 29

30 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Suchen von Daten in Listen und Arrays (a) Lineare Suche in Listen und in Arrays (b) Binäre Suche in Arrays als Beispiel für rekursives Problemlösen (c) Untersuchung der beiden Suchverfahren hinsichtlich ihrer Effizienz (Laufzeitverhalten, Speicherbedarf) 2. Sortieren in Listen und Arrays - Entwicklung und Implementierung von iterativen und rekursiven Sortierverfahren (a) Entwicklung und Implementierung eines einfachen Sortierverfahrens für eine Liste (b) Implementierung eines einfachen Sortierverfahrens für ein Feld (c) Entwicklung eines rekursiven Sortierverfahren für ein Feld (z.b. Sortieren durch Mischen) 3. Untersuchung der Effizienz der Sortierverfahren Sortieren durch direktes Einfügen und Quicksort auf linearen Listen (a) Grafische Veranschaulichung der Sortierverfahren (b) Untersuchung der Anzahl der Vergleichsoperationen und des Speicherbedarf bei beiden Sortierverfahren (c) Beurteilung der Effizienz der beiden Sortierverfahren Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler analysieren und erläutern Algorithmen und Programme (A), beurteilen die syntaktische Korrektheit und die Funktionalität von Programmen (A), beurteilen die Effizienz von Algorithmen unter Berücksichtigung des Speicherbedarfs und der Zahl der Operationen (A), entwickeln iterative und rekursive Algorithmen unter Nutzung der Strategien Modularisierung und Teilen und Herrschen (M), modifizieren Algorithmen und Programme (I), implementieren iterative und rekursive Algorithmen auch unter Verwendung von dynamischen Datenstrukturen (I), implementieren und erläutern iterative und rekursive Such- und Sortierverfahren (I), nutzen die Syntax und Semantik einer Programmiersprache bei der Implementierung und zur Analyse von Programmen (I), interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I), testen Programme systematisch anhand von Beispielen (I), stellen iterative und rekursive Algorithmen umgangssprachlich und grafisch dar (D). 30

31 Unterrichtsvorhaben Q1-IV: Thema: Modellierung und Nutzung von relationalen Datenbanken in Anwendungskontexten Leitfragen: Wie können Fragestellungen mit Hilfe einer Datenbank beantwortet werden? Wie entwickelt man selbst eine Datenbank für einen Anwendungskontext? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Ausgehend von einer vorhandenen Datenbank entwickeln Schülerinnen und Schüler für sie relevante Fragestellungen, die mit dem vorhandenen Datenbestand beantwortet werden sollen. Zur Beantwortung dieser Fragestellungen wird die vorgegebene Datenbank von den Schülerinnen und Schülern analysiert und die notwendigen Grundbegriffe für Datenbanksysteme sowie die erforderlichen SQL-Abfragen werden erarbeitet. In anderen Anwendungskontexten müssen Datenbanken erst noch entwickelt werden, um Daten zu speichern und Informationen für die Beantwortung von möglicherweise auftretenden Fragen zur Verfügung zu stellen. Dafür ermitteln Schülerinnen und Schüler in den Anwendungssituationen Entitäten, zugehörige Attribute, Relationen und Kardinalitäten und stellen diese in Entity-Relationship-Modellen dar. Entity-Relationship-Modelle werden interpretiert und erläutert, modifiziert und in Datenbankschemata überführt. Mit Hilfe von SQL-Anweisungen können anschließend im Kontext relevante Informationen aus der Datenbank extrahiert werden. Ein Entity-Relationship-Diagramm kann auch verwendet werden, um die Entitäten inklusive ihrer Attribute und Relationen in einem vorgegebenen Datenbankschema darzustellen. An einem Beispiel wird verdeutlicht, dass in Datenbanken Redundanzen unerwünscht sind und Konsistenz gewährleistet sein sollte. Die 1. bis 3. Normalform wird als Gütekriterium für Datenbankentwürfe eingeführt. Datenbankschemata werden hinsichtlich der 1. bis 3. Normalform untersucht und (soweit nötig) normalisiert. 31

32 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens Unterrichtssequenzen 1. Nutzung von relationalen Datenbanken (a) Aufbau von Datenbanken und Grundbegriffe Entwicklung von Fragestellungen zur vorhandenen Datenbank Analyse der Struktur der vorgegebenen Datenbank und Erarbeitung der Begriffe Tabelle, Attribut, Datensatz, Datentyp, Primärschlüssel, Fremdschlüssel, Datenbankschema (b) SQL-Abfragen Analyse vorgegebener SQL-Abfragen und Erarbeitung der Sprachelemente von SQL (SELECT (DISTINCT) FROM, WHE- RE, AND, OR, NOT) auf einer Tabelle Analyse und Erarbeitung von SQL-Abfragen auf einer und mehrerer Tabelle zur Beantwortung der Fragestellungen (JOIN, UNION, AS, GROUP BY,ORDER BY, ASC, DESC, COUNT, MAX, MIN, SUM, Arithmetische Operatoren: +, -, *, /, ( ), Vergleichsoperatoren: =, <>, >, <, >=, <=, LIKE, BETWEEN, IN, IS NULL) (c) Vertiefung an einem weiteren Datenbankbeispiel 2. Modellierung von relationalen Datenbanken (a) Entity-Relationship-Diagramm Ermittlung von Entitäten, zugehörigen Attributen, Relationen und Kardinalitäten in Anwendungssituationen und Modellierung eines Datenbankentwurfs in Form eines Entity-Relationship- Diagramms Erläuterung und Modifizierung einer Datenbankmodellierung (b) Entwicklung einer Datenbank aus einem Datenbankentwurf Modellierung eines relationalen Datenbankschematas zu einem Entity-Relationship-Diagramm inklusive der Bestimmung von Primär- und Sekundärschlüsseln (c) Redundanz, Konsistenz und Normalformen 32 Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Eigenschaften und den Aufbau von Datenbanksystemen unter dem Aspekt der sicheren Nutzung (A), analysieren und erläutern die Syntax und Semantik einer Datenbankabfrage (A), analysieren und erläutern eine Datenbankmodellierung (A), erläutern die Eigenschaften normalisierter Datenbankschemata (A), bestimmen Primär- und Sekundärschlüssel (M), ermitteln für anwendungsbezogene Problemstellungen Entitäten, zugehörige Attribute, Relationen und Kardinalitäten (M), modifizieren eine Datenbankmodellierung (M), modellieren zu einem Entity-Relationship-Diagramm ein relationales Datenbankschema (M), bestimmen Primär- und Sekundärschlüssel (M), überführen Datenbankschemata in vorgegebene Normalformen (M), verwenden die Syntax und Semantik einer Datenbankabfragesprache, um Informationen aus einen Datenbanksystem zu extrahieren (I), ermitteln Ergebnisse von Datenbankabfragen über mehrere verknüpfte Tabellen (D), stellen Entitäten mit ihren Attributen und die Beziehungen zwischen Entitäten in einem Entity-Relationship-Diagramm grafisch dar (D), überprüfen Datenbankschemata auf vorgegebene Normalisierungseigenschaften (D).

33 Untersuchung einer Datenbank hinsichtlich Konsistenz und Redundanz in einer Anwendungssituation Überprüfung von Datenbankschemata hinsichtlich der 1. bis 3. Normalform und Normalisierung (um Redundanzen zu vermeiden und Konsistenz zu gewährleisten) Unterrichtsvorhaben Q1-V: Thema: Sicherheit und Datenschutz in Netzstrukturen Leitfragen: Wie werden Daten in Netzwerken übermittelt? Was sollte man in Bezug auf die Sicherheit beachten? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Anschließend an das vorhergehende Unterrichtsvorhaben zum Thema Datenbanken werden der Datenbankzugriff aus dem Netz, Topologien von Netzwerken, eine Client-Server-Struktur, das TCP/IP-Schichtenmodell sowie Sicherheitsaspekte beim Zugriff auf Datenbanken und verschiedene symmetrische und asymmetrische kryptografische Verfahren analysiert und erläutert. Fallbeispiele zur Datenschutzproblematik und zum Urheberrecht runden das Unterrichtsvorhaben ab. 33

34 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Daten in Netzwerken und Sicherheitsaspekte in Netzen sowie beim Zugriff auf Datenbanken (a) Beschreibung eines Datenbankzugriffs im Netz anhand eines Anwendungskontextes und einer Client-Server-Struktur zur Klärung der Funktionsweise eines Datenbankzugriffs (b) Netztopologien als Grundlage von Client-Server-Strukturen und TCP/IP-Schichtenmodell als Beispiel für eine Paketübermittlung in einem Netz (c) Vertraulichkeit, Integrität, Authentizität in Netzwerken sowie symmetrische und asymmetrische kryptografische Verfahren (Cäsar-, Vigenère-, RSA-Verfahren) als Methoden Daten im Netz verschlüsselt zu übertragen 2. Fallbeispiele zur Datenschutzproblematik und zum Urheberrecht Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und erläutern Topologien, die Client-Server-Struktur und Protokolle sowie ein Schichtenmodell in Netzwerken (A), analysieren und erläutern Eigenschaften und Einsatzbereiche symmetrischer und asymmetrischer Verschlüsselungsverfahren (A), untersuchen und bewerten anhand von Fallbeispielen die Auswirkungen des Einsatzes von Informatiksystemen, die Sicherheit von Informatiksystemen sowie die Einhaltung der Datenschutzbestimmungen und des Urheberrechts (A), untersuchen und bewerten Problemlagen, die sich aus dem Einsatz von Informatiksystemen ergeben, hinsichtlich rechtlicher Vorgaben, ethischer Aspekte und gesellschaftlicher Werte unter Berücksichtigung unterschiedlicher Interessenlagen (A), nutzen bereitgestellte Informatiksysteme und das Internet reflektiert zum Erschließen, zur Aufbereitung und Präsentation fachlicher Inhalte (D). 34

35 Unterrichtsvorhaben Q2-I: Thema: Modellierung und Implementierung von Anwendungen mit dynamischen, nichtlinearen Datenstrukturen Leitfragen: Wie können Daten im Anwendungskontext mit Hilfe binärer Baumstrukturen verwaltet werden? Wie kann dabei der rekursive Aufbau der Baumstruktur genutzt werden? Welche Vor- und Nachteile haben Suchbäume für die geordnete Verwaltung von Daten? Vorhabenbezogene Konkretisierung: Anhand von Beispielen für Baumstrukturen werden grundlegende Begriffe eingeführt und der rekursive Aufbau binärer Bäume dargestellt. Anschließend werden für eine Problemstellung in einem der Anwendungskontexte Klassen modelliert und implementiert. Dabei werden die Operationen der Datenstruktur Binärbaum thematisiert und die entsprechende Klasse BinaryTree (der Materialien für das Zentralabitur in NRW) der Vorgaben für das Zentralabitur NRW verwendet. Klassen und ihre Beziehungen werden in Entwurfs- und Implementationsdiagrammen dargestellt. Die Funktionsweise von Methoden wird anhand grafischer Darstellungen von Binärbäumen erläutert. Unter anderem sollen die verschiedenen Baumtraversierungen (Pre-, Post- und Inorder) implementiert werden. Unterschiede bezüglich der Möglichkeit, den Baum anhand der Ausgabe der Bauminhalte via Pre-, In- oder Postorder-Traversierung zu rekonstruieren, werden dabei ebenfalls angesprochen, indem die fehlende Umkehrbarbeit der Zuordnung Binärbaum Inorder-Ausgabe an einem Beispiel verdeutlicht wird. Eine Tiefensuche wird verwendet, um einen in der Baumstruktur gespeicherten Inhalt zu suchen. Zu einer Problemstellung in einem entsprechenden Anwendungskontext werden die Operationen der Datenstruktur Suchbaum thematisiert und unter der Verwendung der Klasse BinarySearchTree (der Materialien für das Zentralabitur in NRW) weitere Klassen oder Methoden in diesem Anwendungskontext modelliert und implementiert. Auch in diesem Kontext werden grafische Darstellungen der Bäume verwendet. Die Verwendung von binären Bäumen und Suchbäumen wird anhand weiterer Problemstellungen oder anderen Kontexten weiter geübt. 35

36 Sequenzierung des Unterrichtsvorhabens: Unterrichtssequenzen 1. Analyse von Baumstrukturen in verschiedenen Kontexten (a) Grundlegende Begriffe (Grad, Tiefe, Höhe, Blatt, Inhalt, Teilbaum, Ebene, Vollständigkeit) (b) Aufbau und Darstellung von binären Bäumen anhand von Baumstrukturen in verschiedenen Kontexten 2. Die Datenstruktur Binärbaum im Anwendungskontext unter Nutzung der Klasse BinaryTree (a) Analyse der Problemstellung, Ermittlung von Objekten, ihren Eigenschaften und Operationen im Anwendungskontext (b) Modellierung eines Entwurfsdiagramms und Entwicklung eines Implementationsdiagramms (c) Erarbeitung der Klasse BinaryTree und beispielhafte Anwendung der Operationen (d) Implementierung der Anwendung oder von Teilen der Anwendung (e) Traversierung eines Binärbaums im Pre-, In- und Postorderdurchlauf 3. Die Datenstruktur binärer Suchbaum im Anwendungskontext unter Verwendung der Klasse BinarySearchTree (a) Analyse der Problemstellung, Ermittlung von Objekten, ihren Eigenschaften und Operationen (b) Modellierung eines Entwurfsdiagramms und Entwicklung eines Implementationsdiagramm, grafische Darstellung eines binären Suchbaums und Erarbeitung der Struktureigenschaften 36 Zu entwickelnde Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler erläutern Operationen dynamischer (linearer oder nichtlinearer) Datenstrukturen (A), analysieren und erläutern Algorithmen und Programme (A), beurteilen die syntaktische Korrektheit und die Funktionalität von Programmen (A), ermitteln bei der Analyse von Problemstellungen Objekte, ihre Eigenschaften, ihre Operationen und ihre Beziehungen (M), ordnen Attributen, Parametern und Rückgaben von Methoden einfache Datentypen, Objekttypen sowie lineare und nichtlineare Datensammlungen zu (M), modellieren abstrakte und nicht abstrakte Klassen unter Verwendung von Vererbung durch Spezialisieren und Generalisieren (M), verwenden bei der Modellierung geeigneter Problemstellungen die Möglichkeiten der Polymorphie (M), entwickeln iterative und rekursive Algorithmen unter Nutzung der Konstruktionsstrategien Modularisierung und Teilen und Herrschen (M), implementieren iterative und rekursive Algorithmen auch unter Verwendung von dynamischen Datenstrukturen (I), modifizieren Algorithmen und Programme (I), nutzen die Syntax und Semantik einer Programmiersprache bei der Implementierung und zur Analyse von Programmen (I), interpretieren Fehlermeldungen und korrigieren den Quellcode (I),